趙仁兵，傅 悅，解建軍，肖 華，王可平

(重慶金貓紡織器材有限公司，重慶 401336)

0 引言

隨著紡織技術(shù)的不斷發(fā)展，紡紗裝備向高速化、自動(dòng)化、智能化、無人化發(fā)展，新型紡紗技術(shù)促使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐越來越快，纖維品種及功能呈現(xiàn)多樣化，減少用工、降低成本等問題日益突出。目前國內(nèi)電鍍鎳鋼絲圈的使用壽命一般為5 d～7 d，而國外產(chǎn)品則不少于15 d[1]，鋼絲圈在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的使用壽命及紡紗毛羽、斷頭等問題亟待解決，提高鋼絲圈鍍層的耐磨性及自潤滑性是解決以上問題的有效方法之一。

1 田口試驗(yàn)方法

田口試驗(yàn)方法 (Taguchi Method)又稱健壯法或穩(wěn)健法 (Robust Method) ，是由日本田口玄一博士創(chuàng)立的一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法，它強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量的提高不是通過檢驗(yàn)，而是通過設(shè)計(jì)。其基本思想方法是：用正交表安排試驗(yàn)方案，以誤差因素模擬質(zhì)量波動(dòng)的各種干擾，以信噪比(S/N)作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性的指標(biāo)，通過對(duì)各種使用方案的統(tǒng)計(jì)分析，找出抗干擾能力最強(qiáng)、性能最穩(wěn)定、最可靠的設(shè)計(jì)方案[2]。

在紡紗工程中隨著環(huán)錠紡紗轉(zhuǎn)速的提高，鋼絲圈與鋼領(lǐng)的接觸點(diǎn)溫升加劇，導(dǎo)致鋼絲圈塑性變形和基體金相組織結(jié)構(gòu)變化、甚至局部熔化(燒蝕)，造成紗線斷頭、毛羽增加，使用壽命縮短[3]。為了解決這個(gè)問題，筆者應(yīng)用田口試驗(yàn)方法研究鋼絲圈鍍層的設(shè)計(jì)參數(shù)及鍍層加工誤差對(duì)鋼絲圈性能和穩(wěn)定性的影響。

2 田口試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲圈鍍層設(shè)計(jì)思路

紡紗過程中的鋼絲圈在離心力及紗線張力的作用下，鋼絲圈與鋼領(lǐng)之間、紗線與鋼絲圈之間存在摩擦，因摩擦的存在就要求鋼絲圈必須具有很好的耐磨性和耐熱性[4]，而鋼絲圈表面處理是解決其耐磨性、自潤滑性、耐熱性等最行之有效的方法之一。由于化學(xué)鍍Ni-P合金具有較好的耐磨性及自潤滑性，當(dāng)加入鎢元素則能與Ni-P共沉積于鍍層中，從而細(xì)化晶粒、降低表面粗糙度值，達(dá)到減少摩擦、增強(qiáng)鍍層的耐磨性與熱穩(wěn)定性，也就延長了鋼絲圈的使用壽命。筆者選用硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、有機(jī)胺及銨鹽作為鋼絲圈Ni-W-P合金鍍層溶液。

2.2 品質(zhì)因子選擇

根據(jù)鋼絲圈的磨損機(jī)理及對(duì)紗線造成的影響可知，如果鋼絲圈表面受到的摩擦力小，鍍層的耐磨性也好，那么其走熟期將會(huì)縮短、使用壽命將會(huì)延長，紗線品質(zhì)將會(huì)提高，因此，將鋼絲圈的磨損率Δm作為品質(zhì)因子。

2.3 控制因子與水平選擇

根據(jù)Ni-W-P鍍層成分組成，選擇鎢酸鈉、有機(jī)胺、檸檬酸鈉、銨鹽、pH值、溫度作為控制因子，除鍍液溫度為2個(gè)水平外，其余均為3個(gè)水平；同時(shí)固定硫酸鎳濃度為24 g/L，次亞磷酸鈉濃度為25 g/L，如表1所示。

表1 樣品的控制因子水平配置

根據(jù)表1中的控制因子和水平，選用L18(21×35)田口試驗(yàn)正交表來優(yōu)化Ni-W-P鍍層成分，使其具有最小的磨損率。

由于磨損率越小越好，所以選擇最小特性的信噪比，即：

在線測量是在混合機(jī)機(jī)殼的特定位置安裝有水分在線檢測儀，以一定時(shí)間間隔自動(dòng)檢測混合機(jī)內(nèi)物料的水分含量，并將檢測結(jié)果自動(dòng)傳送給生產(chǎn)線水分添加系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)與設(shè)定的目標(biāo)值比較后自動(dòng)確定在混合機(jī)內(nèi)噴加的水分量和調(diào)質(zhì)過程中需要添加的水分（蒸汽）量及相關(guān)控制參數(shù)。目前已經(jīng)在飼料混合機(jī)上應(yīng)用的在線水分檢測儀有多用途近紅外檢測儀，激光在線水分測定儀以及微波在線水分檢測儀等。其中近紅外多用途檢測儀可以同時(shí)檢測水分、粗蛋白、粗脂肪等，有著更廣泛的用途。

(1)

式中：

S/N——信噪比；

yi——第i次測量磨損率數(shù)據(jù)；

n——試驗(yàn)次數(shù)。

由于試驗(yàn)中無數(shù)據(jù)變異和試驗(yàn)誤差，因此n=1，公式(1)可以演化為：

S/N=-10lgyi2

(2)

2.4 耐磨試驗(yàn)

采用淬火高碳鋼T9A板(10mm×10mm×2 mm)作為基材，硬度為(630～650)HV0.2，采用表1中A1B2C1D2E2F2工藝條件進(jìn)行化學(xué)鍍Ni-W-P，時(shí)間為40 min～60 min。使用韓國耐磨試驗(yàn)機(jī)，對(duì)磨塊為GCr15，淬火硬度為(60～62)HRC。每組試驗(yàn)制備4個(gè)樣品，以確保結(jié)論的精準(zhǔn)性，每個(gè)樣品每次磨損時(shí)間為30 min，測其平均失質(zhì)量。

3 田口試驗(yàn)

田口試驗(yàn)方法主要是用來獲取化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨鍍層結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過L18(21×35)田口試驗(yàn)正交表把各個(gè)控制因子配置其中，如表2所示。然后通過耐磨試驗(yàn)得到失質(zhì)量后填充到表 2中，通過式(2)，采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值，信噪比值越大，抗干擾能力就越強(qiáng)，見表3。

表2 L18試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。根據(jù)田口試驗(yàn)方法中的“一半原則”[5]，6個(gè)控制因子中最主要的3個(gè)因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機(jī)胺濃度D。圖1的化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨最小失質(zhì)量范圍信噪比的因子反應(yīng)則能更清晰地反映出各控制因子的變化情況，以及各控制因子對(duì)信噪比的影響。

4 確認(rèn)數(shù)值試驗(yàn)

由上述分析可知，鋼絲圈化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層結(jié)構(gòu)的最佳因子結(jié)構(gòu)參數(shù)配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。其最主要的控制因子為B，C，D。據(jù)此可以計(jì)算原始試驗(yàn)?zāi)p失質(zhì)量和優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)p失質(zhì)量后的信噪比預(yù)測值。

采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值。原始設(shè)計(jì)的預(yù)測值為-4.659110，優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)測值為-0.399 590。

圖1 不同控制因子對(duì)信噪比的影響

按照以上MiNitab分析得出的最佳控制因子配比，重新試驗(yàn)化學(xué)鍍Ni-W-P耐磨層，其磨損平均失質(zhì)量為1.0mg，原始試驗(yàn)?zāi)p平均失質(zhì)量為1.8 mg；同樣采用MiNitab軟件計(jì)算出信噪比值分別為-0.239 754，-5.401 966；原始試驗(yàn)與優(yōu)化試驗(yàn)預(yù)測值和試驗(yàn)值的對(duì)比如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后試驗(yàn)值與預(yù)測值比較

5 Ni-W-P合金鍍層鋼絲圈使用結(jié)果

采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3制造Ni-W-P合金鍍層的TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈。在河南某紡織企業(yè)進(jìn)行試紡，試紡品種為CJ 7.4 tex。試紡前先用電鍍BSJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為16.5 kr/min；經(jīng)過測試：毛羽H值為2.4，千錠時(shí)斷頭為11次，+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)分別為332個(gè)/km和91.5個(gè)/km，其使用壽命為12 d。然后，選用TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為17.2 kr/min；測得毛羽H值為2.37，千錠時(shí)斷頭為7次，+140%棉結(jié)、+200%棉結(jié)分別為329個(gè)/km和89.2個(gè)/km，其使用壽命不少于15 d。

6 結(jié)語

6.1應(yīng)用化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層鋼絲圈能有效提高其耐磨性及使用壽命，實(shí)現(xiàn)高速、長壽命紡紗的需求。

6.2根據(jù)田口試驗(yàn)方法信噪比的計(jì)算分析，化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層最佳的性能參數(shù)組合為A1，B3，C2，D2，E3，F(xiàn)3。這其中，最主要的3個(gè)影響因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機(jī)胺濃度D。

按照優(yōu)化后的因子配比進(jìn)行確認(rèn)數(shù)值試驗(yàn)，得到信噪比試驗(yàn)值和其預(yù)測值分別為-0.239 754和-0.399 590，與原始因子組合下試驗(yàn)值-5.401 966和預(yù)測值-4.659 110相比，分別提高了5.162 212和4.259 520。因此，在鋼絲圈化學(xué)鍍Ni-W-P合金耐磨層可靠性設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用田口試驗(yàn)方法可以獲得很好的優(yōu)化效果。

6.3應(yīng)用Ni-W-P鍍層的鋼絲圈紡紗，能有效減少成紗毛羽和斷頭，提高成紗質(zhì)量，鋼絲圈使用壽命不少于15 d。